HK1040331B - 用於產生離開聲源一定距離的虛擬的揚聲器的方法和裝置 - Google Patents

Description

用于产生离开声源一定距离的 虚拟的扬声器的方法和装置

本发明是1996年7月17日申请的序列号为08/684311的专利申请的部分继续申请。

技术领域：

本发明涉及一种音响系统，特别涉及一种在视听的体验中提供三维深度感觉的音响系统。

背景技术：

声音的再现最初使用简单的声源，例如被以声学方式和一个旋转圆柱体相连的喇叭扬声器，所述圆柱体产生一种好象是声音被刻在其表面上的物理印象。所发出的声音是非常局限的，其从喇叭发出沿着喇叭喉轴的方位传播。随着更复杂的扬声器的出现，结合使用多声道扬声器系统，增添了立体声系统，其从左到右或者从一侧到另一侧发出再现的声音。现代环绕声系统利用多个不同的扬声器，从而产生立体声的多声道输出，并且使孤立的声音同步地向着被设置在听众周围的各个扬声器移动。用这种方式，例如，通过使屏幕上的特定事件和在房间周围的各个方向移动的声音传播协同，可以产生更现实的和运动的图像显示有关的声音。

由于耳朵的生理功能，人的听觉确定声音的方向性的能力是惊人的。这种能力向人脑提供连续的消息流，提供被吸收用于确定在三维框架中的各个位置和环境的数据。现代环绕声系统通过把声音从包括前方、侧面、后面、地面和屋顶的各个方位引向听众模拟所需的三维系统。这种声音包括在不同位置的人的说话声，周围的自然环境声，例如流水声，风声，雷声，鸟声，动物声等。动作场景包括合成的音响效果，用于强调渴望、恐惧、惊奇、愉快的语气动态，以及撞车场景、爆炸、和许多在屏幕上显示的可见物体的声音效果，利用多方向的声音效果，使得更加逼真。

为了获得上述的声音感受，常规的音响系统包括许多扬声器，它们被设置在房间的周围，包括屋顶和地板上。一般地说，低音扬声器位于房间的前方，或者在地板的下面。因为这些低频扬声器的方向性差，把它们设置在房间的前方不会有问题。的确，当房间小时，难于辨别低频声音的方向。因为常规的动态扬声器的大的尺寸，放在房间前方的位置是更实际的。

随着频率的增加，声音传播的方向性增强。例如，高频扬声器可以容易地检测其方向。环绕声系统从被设置在房间的侧面和后面的较小的扬声器提供这些较高的频率，使得它们的定向传播性能能够模拟从多个方向发出的声音，好象在自然环境中一样。较小尺寸的扬声器有利于被移动和被设置在墙上和屋顶上。

参量扬声器的好的方向性是公知的，美国专利4823908披露了由调制的超声波载波得到的音频输出即使在低频范围内也具有更好的方向性。该专利的图2表示一种被直接定向于听众9的参量系统8。因此，沿着发送机和听众之间的声音路径提供声音滤波器10和20或其它的声音吸收材料，以便基本上消除参量输出中的超声分量。虽然在上述的专利中披露了反射板19(即图16)，但是它们唯一的目的似乎是延长声音路径，并改变超声和音频传播的方向。因而，现有技术关于参量扬声器的教导没有区别在直接向听众传播的参量输出和通过反射间接向听众传播的这种音频输出之间的任何显著差别，除非采用附加的db级。

按照这一理解，现有技术中用于产生感受来自不同方向的声源的系统需要沿着特定的方向和预定的位置设置扬声器。为了获得作为环绕声感受的一部分的多个方向，需要在不同位置设置多种扬声器(动态的，静电的，参量的等等)。

因此，需要在听众的感受范围内的不同位置分散扬声器系统，这需要更复杂的技术。扬声器导线必须从声源延伸到扬声器硬件。对于家庭影院，导线的费用可能是昂贵的，并且/或者有损于室内装饰。为了避免难看的布线，可以包括FM无线传输系统，这种系统非常昂贵，并且在操作上经常存在问题。即使在建造一种新的结构时可以预先布线来形成环绕声系统，但是其适应性是有限的，因为扬声器要被固定在确定的位置，并且不能随着声源的移动而快速地重新定位。如果需要根据移动的声源感觉运动，则需要沿着运动的方向设置许多扬声器，这需要复杂的转换电路用于使通过所需扬声器装置的声音同步。简明地说，过大的花费和声源的动态运动的复杂性妨碍了在公共影院之外的环境中的应用。

发明内容：

因此，本发明的目的在于由被设置在房间内的一个位置上的声源实现环绕声感受。

本发明的另一个目的在于由房间的不同的反射表面提供虚拟的扬声器源，从而产生多方向的声源感受。

本发明的另一个目的在于提供来自一个位置的多声道的声音，而对听众呈现三维的方向。

本发明的另一个目的在于产生可以在反射表面的附近容易地移动的虚拟声源。

本发明的另一个目的在于能够使环绕声扬声器定位，而不需要在远方的扬声器和声音控制系统之间布线。

这些和其它的目的是通过一种用于在房间内在听众周围提供多个扬声器位置的方法实现的，在所述房间内的一个位置具有声源。

根据本发明，这里提供一种用于通过在一个位置的声源在房间内或者在其它至少局部反射的环境中在听众周围提供多个扬声器位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)通过由在声源位置的音频扬声器发射音频压缩波产生主音频输出，所述音频扬声器的方向沿着主音频路径直接指向听众；b)通过由至少一个位于声源处的、方向指向远离所述声源并且远离听众的至少一个反射表面的参量扬声器发射超声波，由远离声源并与所述声源无电气连接的至少一个虚拟扬声器产生次音频输出，借以由所述反射表面间接产生全方向的声音，所述的反射表面产生一个虚拟扬声器；以及c)同步所述音频扬声器的前方音频输出和来自所述至少一个虚拟扬声器的全方向音频输出，使得听众得到来自多方向的统一的声音感受。

根据本发明，这里还提供一种用于从虚拟扬声器提供传播声音的方法，该虚拟扬声器的位置离开始发传播声音的声源，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a)从一个参量发射器沿着传播的主方向发射包括已调制超声波和音频的参量输出，并且与以所述的参量发射器的超声波频率操作的一个音频滤波器无关；b)使传播的主方向朝向没有音频滤波器材料的反射表面；以及c)通过使参量输出改变方向而成为来自反射表面的并朝向听众的扩散的全方向形式在反射表面产生虚拟扬声器。

根据本发明，这里还提供一种用于在一个具有声源的房间内在听众周围提供多个扬声器位置的装置，其特征在于，所述的装置包括：一个音响系统，该音响系统包括：至少一个参量扬声器，其位于所述声源处，并指向在房间内的远离所述声源的至少一个反射表面，所述至少一个参量扬声器提供次音频输出，沿着反射传播的路径没有音频滤波器材料，从而产生至少一个远离所述声源并且不和所述声源电气相连的虚拟扬声器。

附图说明：

图1示意地表示呈家庭影院形式的本发明的优选实施例的透视图；

图2是用于实现本发明的系统的方块图。

具体实施方式：

众所周知，参量扬声器提供具有好的方向性的超声波频率的射束，当利用音频信号调制时，所述射束产生多个超声波频率。按照声学外差原理，其差处于音频范围内的两个超声频率将在作为非线性介质的空气中相互作用，从而产生音频差单音。这种现象产生包括具有好的方向性的调制的音频信号的音频声柱。关于参量扬声器原理的理论解释可以参见Yoneyama等人发表在“Journal ofAcoustic Society of America”73(5)，1983年5月上的“音频焦点：声波的非线性相互作用在新型扬声器设计上的应用”。

按照本发明，参量扬声器可被单独使用与/或和例如图1所示的一般的音响系统结合使用，用于提供位于超声波束的不同的反射点的可以作为声源感受的虚拟扬声器。当作为环绕声系统的一部分应用时，参量扬声器不需要为得到多个声源而在多个不同的位置设置多个实际的扬声器。这样便消除了上述为了连接远处的扬声器和声源所需的布线问题。

图1说明位于一般的房间或空间11的前方的一般的音响系统10。本发明的优选实施例作为家庭影院系统的一部分被包括在其中，其具有视频装置，具有许多音响效果，包括改变声源的方向。房间的尺寸显然可以随设计要求而定，不过一般用长度和宽度表示时为15×20英尺。两个相对的侧壁由侧壁12表示，它们被后壁13分开。房间的地板用14表示，屋顶15被局部地示出，用于说明其在本发明中的作用。

音响系统10包括参量扬声器20，21和22。超声波控制电路被置于音频放大器系统23中，其中还有向常规的扬声器30供电的所有其它的音响系统元件。每个扬声器包括调整结构27，28和29，用于使每个参量装置朝着各个反射区域定向，所述的反射区域作为所需的虚拟扬声器的位置24，25和26。这些反射区域用在虚线内的一个封闭区域表示，不过，这些边界只用于表示在地板、后壁、屋顶和侧壁上的一个示意的表面区域，并且可以改变为对听众能够提供所需的声源方向的任意的反射区域。应当注意，本发明的虚拟扬声器也可以应用于可以提供反射表面的其它的环境中，例如一个户外的空间，或者一个局部封闭的空间。

按照上述的Yoneyama等人的文章所述的方法，实现虚拟扬声器定位的特定处理从发射外差声柱开始。这种处理一般由图2表示，并且涉及借助于幅值调制42或其它的合适的处理混合(i)要被投射到反射表面的所需的音频信号40和(ii)一般在40-60Khz范围内的超声波载波41，从而产生包括载波和一个或几个边带45的合成的波形43。这两个或多个其数值的差相应于音频输入的超声频率的信号通过超声发送器44被发射到周围的空气中，并通过作为非线性介质的空气解耦作为音频输出46。因为这种参量扬声器具有好的方向性，所以在超声发射的方向之外的听众将听不到音频声波，除非从墙壁12，地板13或屋顶15被反射。然而，一旦被反射，声音便沿着全方向的图形46a被分散，使得视在声源是一般远离实际的发射器源的反射表面。

因此，虚拟扬声器24，25，26的位置将取决于参量扬声器20，21或23的方向。当设计系统时，这种方向可被固定，从而以预定的音频/视频内容为特定的听众服务，或者可以通过和各个发射器相连的调整装置或伺服系统27，28或29控制。这种系统可以是机械转动装置，或者是波束控制电路，其根据在参量扬声器内的发送器组之间的相位关系的改变改变感受的声音传播路径。运动的感知也可以通过改变扬声器之间的声音的强度，使得感到声音的强度好象从一个扬声器转移到另一个扬声器来实现。除去3种所述的用于产生运动的参量输出的方法之外，其它的方法是本领域技术人员熟知的。此时将根据对伺服系统提供的位置数据调整所需的方向，其中或者通过和特定的音频或视频表示一致的预编程的控制信号，或者通过响应控制的其它形式。

应当认识到，本发明的操作包括两个阶段的处理。第一阶段涉及聚焦的能量束的产生和控制，所述能量束包括具有伴随的边带信号的超声载波信号，用于产生声柱。在此阶段，声音的能量需要是窄的，而不是在传播中扩散的。载波信号的实际频率将取决于从发射器到反射表面的距离。因为较低的超声频率提供较大的范围，所以已经说明，最好取40-60khz的频率。因为给定的变换器在较高的频率下可以提供较强的功率输出，所以在100Khz以上的频率下可以快速地逐渐停止超声能量的吸收。

处理的第二阶段是把集中的波束转换为分散的、全方向的的形式，并且在离开实际的声源一定距离处进行所述转换。虽然第一阶段的处理似乎在Tanaka等人的专利中讨论过，但是其中没有披露在离开实际的声源一定距离处进行所述向全方向形式的转换。而是，Tanaka等人建议使用按照扩散传播配置的参量发射器，然后例如利用抛物面把所述扩散传播反射成为被校准的形式。Tanaka等人还提出在反射表面上或者在传播路径中使用声音滤波器，以便消弱超声发射。Tanaka等人以及披露的参量没有揭示本发明人披露的关于参量扬声器的一个有趣的现象，其中涉及离开实际的参量声源一定距离配置“虚拟扬声器”。当参量声柱以全方向方式被发射时这显然在一个远的反射表面部分地发生，否则，其将不被声音滤波器抑制。这种反射具有用于确定虚拟扬声器的视在声源的效果，因为人的耳朵习惯于把全方向声源作为发出声音的自然中心。

例如，当一个被校准的参量声输出束16，17或18遇到反射壁12或13，地面14或屋顶15的表面时，已经观察到集中的波束实际上转换为图1所示的所需的全方向形式50，51或52。正常的听觉现在归因于到达听众的具有全方向性质的各种反射声波，使得和虚拟扬声器关联。第一阶段的参量输出的声音发射不干扰这个感觉过程，因为它们被保持在其方位在听众位置53的外部的集中柱16，17和18中。

这种特定的处理由下面的一般方法表示，用于在具有被设置在一个位置的声源的房间中在听众周围提供多个扬声器位置。这种方法包括初始步骤a)通过从位于声源10的音频扬声器30发射音频压缩波产生主音频输出，所述声源10的方向沿着主路径56直接指向听众位置53。这和一般的音响系统一致，并且一般包括具有朝向用户的高音、中音和低音装置的全范围扬声器阵列。这种声音朝向用户传播，并且一般通过房间进行反射。在这种配置中，所有的声音被觉得是从声源10发出的。

和这种处理并行的步骤包括由至少一个远方的和声源没有电气连接的虚拟扬声器24，25与/或26产生次音频输出51，52与/或53。这通过上述方法实现，即，由位于声源处的并且指向房间内至少一个远离声源的并且不沿主音频路径的反射表面的至少一个参量扬声器20，21与/或22发射超声波，借以从反射表面间接地产生被感觉是从虚拟扬声器发出的全方向声音50，51与/或52。

需要同步来自音频扬声器的主音频输出56和来自至少一个参量扬声器的次音频输出16，17和18，以便使听众听到来自多个方向的统一的声音感受。例如，主音频路径56的距离需要和声柱16，17和18行进的较大的距离以及到听众位置的全方向路径50，51和52协调。在主控制电路23内可以实现合适的时间延迟。类似地，对于在一个或几个反射表面瞬间发出的孤立的音频效果需要进行同步，以便模拟碰撞、闪电(bolt of lightening)或其它具有不同方向分量的音响特征。这些技术在音频领域中是熟知的，此处不再详细说明。

这个基本方法一般利用作为声源的一部分的高保真度和多声道特征来实现。所述多声道形式一般包括至少一个第一声道的前方音频输出，和具有至少一个第二声道的非前方音频输出。一般地说，多声道形式包括用于前方音频输出和非前方音频输出的多声道声音的两个或多个单独的声道。这些多个声道用于提供左右多声道输出、前后多声道输出的分割，并且提供通过反射表面在整个房间内分散的音频特征的隔离。应该理解“前方音频输出”和“非前方音频输出”在这个具体的实施例中仅是示例性的。也许还有其他的应用也会使用类似的方法来传送多声道的声音，它们与一个房间的前方位置和非前方位置的地点无关。据此，将“前方音频输出”和“非前方音频输出”称为“主音频输出”和“次音频输出”。

作为这种方法的一部分，可以选择常规的扬声器和虚拟扬声器的各种组合，通过电子电路23进行启动和控制。这些组合可以是相对于主音频路径在侧壁上的一个虚拟扬声器，相对于主音频路径在在后壁上的一个虚拟扬声器，在屋顶上的一个虚拟扬声器，或在地板上的一个虚拟扬声器。相对于主音频路径在相对侧壁上的虚拟扬声器以及相对于主音频路径在侧壁和后壁上的虚拟扬声器的同时操作是常规的环绕声系统的一部分，并且可以和任何其它的在屋顶和地板上的虚拟扬声器的组合一道，利用本发明被方便地实施。参量扬声器也可以直接和挂在房间内的屋顶的位置上的视频投影系统相连。虚拟扬声器沿着地板和侧壁的位置可以响应和上面讨论的参量发射器相关的调整装置由所述屋顶位置容易地被确定。

本发明的一个更重要的特征是能够沿着这些反射表面中的任何一个快速地移动虚拟扬声器的位置。例如，参量装置20，21或22的横向运动引起虚拟扬声器沿着反射表面的同时运动，并且使听众具有运动的感觉。当和视频投影系统结合时，这些非前方音频输出特征可以和在视频显示上表示的事件一致。高速飞行的喷气式飞机，奔驰的火车或汽车追逐，可以通过来自许多方向的定向声加强效果，这增加了动态活动的整个范围。这不仅使听众感到刺激，而且也扩大了在房间内的三维感受的深度。

应当理解，上面的说明只作为用于说明本发明的例子，而不构成对本发明的限制，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (22)

1.一种用于通过在一个位置的声源在房间内或者在其它至少局部反射的环境中在听众周围提供多个扬声器位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)通过由在声源位置的音频扬声器发射音频压缩波产生主音频输出，所述音频扬声器的方向沿着主音频路径直接指向听众；

b)通过由至少一个位于声源处的、方向指向远离所述声源并且远离听众的至少一个反射表面的参量扬声器发射超声波，由远离声源并与所述声源无电气连接的至少一个虚拟扬声器产生次音频输出，借以由所述反射表面间接产生全方向的声音，所述的反射表面产生一个虚拟扬声器；以及

c)同步所述音频扬声器的前方音频输出和来自所述至少一个虚拟扬声器的全方向音频输出，使得听众得到来自多方向的统一的声音感受。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用于提供多声道形式的声源的更特定的步骤，其中主音频输出包括：至少一个第一声道；所述的次音频输出包括：至少一个第二声道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：用于提供多声道形式的声源的更特定的步骤，其中所述的主音频输出包括多声道中的两个单独的声道；所述的次音频输出包括：多声道中的与主音频输出频道分开的至少两个声道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用于使至少一个虚拟扬声器的位置相对于主音频路径处于侧壁上的附加的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用于使至少一个虚拟扬声器的位置相对于主音频路径处于后壁上的附加的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用于使至少一个虚拟扬声器的位置相对于主音频路径处于屋顶表面上的附加的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用于使至少一个虚拟扬声器的位置相对于主音频路径处于地板表面上的附加的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：同时操作相对于主音频路径位于相对的侧壁上的至少两个虚拟扬声器的附加步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：同时操作相对于主音频路径位于各个侧壁和后壁上的多个虚拟扬声器的附加步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：同时操作相对于主音频路径位于各个侧壁以及屋顶上的多个虚拟扬声器的附加步骤。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：同时操作相对于主音频路径位于相对的侧壁以及地板表面上的多个虚拟扬声器的附加步骤。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：同时操作相对于主音频路径位于相对的侧壁以及相对的地板和屋顶表面上的多个虚拟扬声器的附加步骤。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：提供至少一个虚拟扬声器沿着反射表面横向运动以使听众具有运动的感受的步骤。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：与至少一个虚拟扬声器相结合同时操作视频系统并且使次音频输出与在视频显示器上再现事件相协调的附加步骤。

15.一种用于从虚拟扬声器提供传播声音的方法，该虚拟扬声器的位置离开始发传播声音的声源，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)从一个参量发射器沿着传播的主方向发射包括已调制超声波和音频的参量输出，并且与以所述的参量发射器的超声波频率操作的一个音频滤波器无关；

b)使传播的主方向朝向没有音频滤波器材料的反射表面；以及

c)通过使参量输出改变方向而成为来自反射表面的并朝向听众的扩散的全方向形式在反射表面产生虚拟扬声器。

16.一种用于在一个具有声源的房间内在听众周围提供多个扬声器位置的装置，其特征在于，所述的装置包括：一个音响系统，该音响系统包括：至少一个参量扬声器，其位于所述声源处，并指向在房间内的远离所述声源的至少一个反射表面，所述至少一个参量扬声器提供次音频输出，沿着反射传播的路径没有音频滤波器材料，从而产生至少一个远离所述声源并且不和所述声源电气相连的虚拟扬声器。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：一个视频装置，其中所述的音响系统与视频显示相协调。

18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：与主音频扬声器相连的多声道电路，用于提供多声道声音的至少一个单独的声道，所述多声道电路和至少一个参量扬声器相连，用于提供和主音频扬声器的声道分开的多声道声音的至少一个声道。

19.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的参量扬声器包括：方向装置，用于在相对于主音频路径的侧壁上产生至少一个虚拟扬声器。

20.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的参量扬声器包括：方向装置，用于在相对于主音频路径的后壁上产生至少一个虚拟扬声器。

21.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的参量扬声器包括：方向装置，用于在相对于主音频路径的屋顶表面上产生至少一个虚拟扬声器。

22.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述参量扬声器包括：方向装置，用于在相对于主音频路径的地板表面上产生至少一个虚拟扬声器。